中国温带杨树人工林通用生物量模型研究

论文总字数：21184字

目 录

1.引言 1

1.1生物量模型概述 1

1.1.1生物量的定义 1

1.1.2生物量的测定 1

1.1.3生物量模型简介 1

1.2 国内外研究进展 2

1.2.1国外研究进展 2

1.2.2国内研究进展 3

1.3研究意义 4

1.4研究目的与内容 4

2.研究材料与方法 5

2.1模型基础 5

2.2研究区域 6

2.3研究方法 7

3.结果与分析 9

3.1树高模型 9

3.1.1树高模型构建 9

3.1.2树高模型验证 11

3.2胸径模型 12

3.2.1胸径模型构建 12

3.2.2胸径模型验证 13

3.3材积模型 14

3.3.1材积模型构建 14

3.3.2材积模型验证 16

4.总结与展望 16

4.1主要结论 16

4.2需要进一步研究的问题 17

参考文献 17

致谢 21

中国温带杨树人工林通用生物量模型研究

蒋友凌

,China

Abstract: Based on the data of the stand biomass in several domestic areas which measured by standard method for poplar plantation in temperate of China,this study researched the relationship between forest biomass and environmental factors.On the basis of existing biomass model, the parameters such as site index was established,and this paper analyzed the relationship between the height and diameter at breast high of trees with environmental factors,and furthermore the height and diameter at breast high of trees growth models were set up.Meanwhile,based on the relationship between volume of timber with stand height,planting density and forest age,the tree volume model was build,and the tree growth mechanism of response and adaptation to the environment was obtained,and in the final analysis the generalized biomass model can be obtained.The results showed that the tree height model and diameter at breast high of trees model have relatively high precision(over 88%),and they can be well used to predict the stand growth,but the precision of tree volume model was not well(only 67.6%),and it just can be used to predict stand growth trend.

Keyword:Biomass model; poplar plantation; stand; tree height; tree volume

1.引言

1.1生物量模型概述

1.1.1生物量的定义

生物量(Biomass)是指某一单位时间，实际存在于单位面积或单位体积内的一个或多个生物种，或指存在于单位空间中的一个群落里积累的全部有机质的总量^[1]，它包括了生物体内存储的所有食物的重量。生物量，在广义上包括了某一特定时刻,存在于单位空间的生物个体数、重量或其生物体内所含的能量，它主要适用于指代某种群、某类群生物（如浮游动物）或整个生物群落的生物量；而在狭义上，生物量仅指以重量表示的生物质量，既可以为鲜重也可以是干重。

一般情况下，生物量是以单位时间内在单位面积上积累的干物质量或能量来表示，其单位通常为g/m²或J/m²。当用鲜重或干重衡量生物量时，规定用B来表示；而当用能量衡量生物量时，则用QB（即活体能量）来表示。

1.1.2生物量的测定

林木生物量是森林生态系统中最基本的数量特征指标，它既可以表示森林的经营水平与开发利用价值，又可以反映森林及其所在的生态系统的功能中物质循环以及能量流动的复杂关系^[2]。林木的生物量可分为两个部分，即地上部分以及地下部分。一般来说，测定植物群落中的植物量比较困难，尤其是分离和挖掘植物地下器官的工作，其任务非常艰巨。因此，出于经济利益和科研价值的角度，我们通常选择对林木的地上部分进行生物量的调查与研究，并且以此为依据来判断在采样地中各种群生物量占到的总生物量的比例。

通过森林的生物量的实际测定，可以按照测定尺度将其分为树木生物量测定和林分生物量测定两大类^[1]。树木生物量的测定取决于树木胸径与树高等测树因子。除此之外，树冠量，枝叶量等因素在树木生物量的测定中也起着较大的辅助作用。同时，这些因素与胸径、树高等测树因子之间也存在着较为紧密的相关关系，故可直接利用测树因子对树木生物量进行估测。而林分生物量测定方法则主要有：皆伐实际测定法、标准木法、回归估计预测法三种方法。其中，回归估计法是常用的林分生物量测定方法之一。在实践工作当中，为简化生物量测定方法并提高预测的准确性，需分别研究各林木组成的分量与测树因子的关系，针对各分量建立回归估计模型，最终对各分量生物量进行求和，其值即为林木生长量的估计值。在建立树干生物量模型时，常选用的林木的胸径(D)及树高(H)等因子作为自变量对总生物量进行预测与估算^[2]。此外，在测定大面积森林的生物量时，采用以遥感技术为基础的估计方法进行预测，也可得到较好的预估效果^[3]。

1.1.3生物量模型简介

目前，在测定森林生物量的方法中，生物量模型的应用最为广泛。其主要是通过观测树木样本，建立树木各分量干重与其它测树因子之间的响应关系，并用一个或一组数学表达式来表示，则该数学表达式即为林木生物量模型^[4]。在一定程度上，该表达式体现出了树木各组分生物量与测树因子之间存在的内在关系，从而我们就可以使用树木易测因子的数据来估测其总体的生物量。因此，合理应用树木生物量模型可以准确预测森林整体的生物量累积情况，从而推断它的生长以及生产状况。

林木生物量模型有多种表现形式，总体上可将其大致分为三类，即线性模型、非线性模型以及多项式模型。其中，非线性模型应用最为广泛^[4]。根据建模对象不同，生物量方程的结构形式也会随之产生差异^[5]。在对生物量模型拟合优度作评价时，有一系列的统计指标可供用来其进行判断，如确定系数(R²)、Furnival指数(FI)、百分误差(PE)、变异系数(CV)、平均百分标准误差(MPSE)、估计值标准差(SEE)以及预估置信区间等^[6]。在本文中，选用确定系数(R²)作为判断标准来对生物量模型的拟合情况进行评价。

1.2 国内外研究进展

长期以来，生物量模拟一直被视为森林生产力研究的重点领域^[7]。19 世纪后期，Ebermayer针对德国巴伐利亚多种森林的落叶量和木材重量进行了测量，这是人类史上有关生物量的最早研究。随后，也有极少数的欧洲学者做了类似的工作。但在20世纪中叶之前，公众并未开始真正重视森林生物量及其生产力方面的研究。而从上世纪50年代后期开始，有部分发达地区的学者开始调研并搜集其国内主要森林生态类型的生物量和林木资源生产力的资料。在此时期，国际林联(IUFRO)于1964~1974年开展了国际生物学计划，同时它也标志着全球性陆地森林生态系统碳储量与生物量研究的起始^[8-11]。其中，国际林联将森林生物量列为全球范围、区域范围以及国家范围内森林资源的重点监测对象^[12]，带动了全球各国对森林生物量研究的步伐。 自上世纪90年代以来，无论是国内还是国外均开始大力发展关于森林生物量方面的研究。

1.2.1国外研究进展

国外方面，Ter-Mikaelian amp; Korzukhin对北美65个不同树种的生物量方程进行了整合分析，得出以M=aD^b为形式的803个生物量方程^[13]；Parresol对生物量方程的可加性和协调性问题进行了分析，并讨论了相关的评价指标和林分生物量预测值的误差组成^[6]；为确保林木总生物量和各分量的非线性函数具有可加性，Parresol又进一步提出2种研究方法，并提供了置信度和估计区间的统计学理论^[14]；Bi等人根据2个澳洲本土树种构建了可加性的方程体系，并确立了关于生物量估计值的置信区间，在此之后又为15种澳洲本土温带桉树研建了具有可加性的非线性生物量方程体系^[7，15]；Bond-Lamberty等人根据加拿大马尼托巴省北方森林的调查，建立了6个树种的生物量方程^[16]；Hansen对比了美国东部多个森林生物量估测中所使用的方法，并为美国森林资源清查分析建立了统一的林木生物量预测方法^[17]；Jenkins等人以关于美国上百个树种的大量生物量方程为基础，基于国家尺度构建了地上分树种组的生物量模型^[18]；Zianis amp; Mencuccini将3种地上生物量的相对生长方程进行性了简化，并对其进行了比较与扩展^[19]；Zianis等人综述了607个关于欧洲常见的39个树种的生物量方程^[20]；Zianis amp; Radoglou将相对生长模型对林木生物量的估计效果进行了比较验证^[21]；Snorrason amp; Einarsson收集了11个冰岛的主要树种的测定数据资料，并为其构建了地上生物量方程与树干材积方程^[22]；Vallet等人为7个法国主要树种建立了林木地上总材积方程^[23]；Repola等人根据芬兰3个树种组建了地上和地下生物量的立木模型^[24]；Muukkonen研究并提出了适用于欧洲主要树种的简化的通用材积回归方程和生物量方程^[25]；Case amp; Hall比较了加拿大中西部地区多个树种的相对生长通用性方程，其结果显示由于方程通用性范围的扩大，局部区域的预估误差也会随之而变大^[26]；Fehrmann等人在芬兰国家森林资源清查数据基础上，对比立木生物量线性混合效应回归模型及其附属的线性模型方法与非参数 k-最近邻域法之间的差异^[27]；Basuki等人建立了印尼加林曼丹东部森林中4种树木的生物量方程^[28]；Návar建立了墨西哥热带和温带地区森林中10个树种的相对生长生物量方程，这为测算该地区的森林生物量提供了较为可靠的依据^[29]。

1.2.2国内研究进展

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